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芯片潔凈車間建設方案示例

2022-04-26

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半導體芯片潔凈車間生產工藝流程：

簡單地說，芯片的制造過程可以分為沙子原料（石英）、硅錠、晶圓、光刻，蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝等諸多步驟，而且每一步里邊又包含更多細致的過程。

　　1、沙子：硅是地殼內第二豐富的元素，而脫氧后的沙子（尤其是石英）最多包含25％的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，這也是半導體制造產業的基礎。

　　2、硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅，學名電子級硅（EGS），平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠

　　3、單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。

　　4、硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓（Wafer）。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？

　　5、晶圓：切割出的晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。

　　6、光刻膠（Photo Resist）：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

　　7、光刻：光刻膠層隨后透過掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。

　　由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。晶體管相當于開關，控制著電流的方向。現在的晶體管已經如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。

　　8、溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

　　9、蝕刻：使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。

　　10、清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。

　　再次光刻膠：再次澆上光刻膠（藍色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

　　11、離子注入（Ion Implantation）：在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，并改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

　　12、清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入區域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。

　　13、晶體管就緒：至此，晶體管已經基本完成。在絕緣材（品紅色）上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

　　14、電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極（陽極）走向負極（陰極）。

　　15、銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。

　　16、拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

　　17、金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層，具體布局取決于相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復雜的電路，放大之后可以看到極其復雜的電路網絡，形如未來派的多層高速公路系統。

　　18、晶圓測試：內核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。

　　19、晶圓切片（Slicing）：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是芯片的內核（Die）。咱們TO can封裝的跨阻放大器就是DIE的形式

　　20、丟棄瑕疵內核：晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄，留下完好的準備進入下一步

　　21、封裝：封裝級別

半導體芯片潔凈車間建設方案簡要：

無塵車間參數

1.壓差：主車間對相鄰房間≥5Pa；

2.平均風速： 100級0.3－0.5m/s；

3.噪聲≤65dB（A）；

4.新風補充量是總送風量的10％－30％；

5.照度300LX。

6.溫度：20-26 度，（車間），溫度：12-23度（用于產品測試）

7.濕度：50-70%RH，（車間），濕度40-85%RH（用于產品測試）

8.凈化等級：100級－30萬級（用于測試），1000-30萬級用于生產。

半導體芯片制造對無塵車間工程環境的控制有較為嚴格的要求，FFU循環系統不僅節省運行空間、潔凈度安全性高、運行成本低，而且操作靈活性很高，可以在不影響生產的情況下隨時進行系統升級和調整，這些都能很好地滿足半導體制造的需求，因此在半導體制造業FFU循環系統逐漸成為最主要的無塵車間工程設計方案。　

無塵車間設計及運行注意事項

1.半導體芯片潔凈無塵車間內部要確保粉塵只出不進，因此潔凈無塵車間室內要保持大于大氣壓的環境。這就需要用大型鼓風機將經凈化設備的空氣源源不絕地打入潔凈車間

2.為保持恒溫與恒濕，大型空調設備須搭配前述之鼓風加壓系統使用。鼓風機加壓多久，空調就得開多久。

3.所有經凈化設備的空氣流動方向均由上往下為主，因此，潔凈無塵車間室內空間設計或機臺擺放應避免突兀，使塵埃細菌等在潔凈無塵車間內回旋停滯的機會與時間減至最低程度。

4.半導體潔凈無塵車間所有用得到的氣源，包括吹干晶圓及機臺空壓所需要的，都得使用氮氣 (98%)，吹干晶圓的氮氣甚至要求99.8%以上的高純氮。

在半導體無塵車間的建造過程中，除了廠房的主體結構施工以及上述的重點難點外，還有潔凈建筑裝飾施工、凈化空調系統及其風管、過濾器的施工安裝、高純水系統及其管線的安裝、高純氣體系統（含特種氣體供應等）及其管線安裝、真空系統及其管線的安裝、化學品供應系統及其管線的安裝、各種排風和排氣系統及其處理設備的安裝、消防安全報警系統及其控制設備的安裝、變配電、電氣系統及其橋架、配管配線的安裝、照明系統及燈具的安裝、防微振裝置的安裝、生產工藝設備及其配管配線的安裝等。